Den officiella dagen för upptäckt (detektion) av gravitationsvågor är den 11 februari 2016. Det var då, vid en presskonferens i Washington, som ledarna för LIGO-samarbetet meddelade att ett team av forskare hade lyckats registrera detta fenomen för första gången i mänsklighetens historia.
Profetior om den store Einstein
Även i början av förra seklet (1916) föreslog Albert Einstein att gravitationsvågor existerar inom ramen för den allmänna relativitetsteorin (GR) som han formulerat. Man kan bara förundras över de lysande förmågorna hos den berömda fysikern, som med ett minimum av verkliga data kunde dra så långtgående slutsatser. Bland de många andra förutspådda fysiska fenomen som bekräftades under nästa århundrade (att sakta ner tidsflödet, ändra riktningen för elektromagnetisk strålning i gravitationsfält, etc.), var det inte möjligt att praktiskt detektera närvaron av denna typ av vågor interaktion mellan kroppar tills nyligen.
Gravity är en illusion?
I allmänhet i ljusetRelativitetsteorin kan knappast kalla gravitation för en kraft. Detta är en följd av störning eller krökning av rum-tidskontinuumet. Ett bra exempel som illustrerar detta postulat är ett sträckt tygstycke. Under tyngden av ett massivt föremål placerat på en sådan yta, bildas en fördjupning. Andra objekt som rör sig nära denna anomali kommer att ändra banan för deras rörelse, som om de "attraherades". Och ju större vikten av föremålet (ju större diameter och djup av krökningen är), desto högre "attraktionskraft". När den rör sig genom tyget kan du se utseendet på en divergerande "krusning".
Något liknande händer i världsrymden. All snabbt rörlig massiv materia är en källa till fluktuationer i densiteten av rum och tid. En gravitationsvåg med en betydande amplitud, bildad av kroppar med extremt stora massor eller när de rör sig med enorma accelerationer.
Fysiska egenskaper
Fluktuationerna i rum-tidsmetriken visar sig som förändringar i gravitationsfältet. Detta fenomen kallas annars för rymd-tids-rippels. Gravitationsvågen verkar på de påträffade kropparna och föremålen, komprimerar och sträcker ut dem. Deformationsvärdena är mycket små - cirka 10-21 från originalstorleken. Hela svårigheten med att upptäcka detta fenomen var att forskarna fick lära sig att mäta och registrera sådana förändringar med hjälp av lämplig utrustning. Kraften hos gravitationsstrålning är också extremt liten - för hela solsystemet är den detnågra kilowatt.
Hastigheten för utbredning av gravitationsvågor beror något på egenskaperna hos det ledande mediet. Svängningsamplituden minskar gradvis med avståndet från källan, men når aldrig noll. Frekvensen ligger i intervallet från flera tiotals till hundratals hertz. Gravitationsvågornas hastighet i det interstellära mediet närmar sig ljusets hastighet.
Initiala bevis
För första gången erhölls den teoretiska bekräftelsen på existensen av gravitationsvågor av den amerikanske astronomen Joseph Taylor och hans assistent Russell Hulse 1974. Genom att studera universums vidder med hjälp av radioteleskopet från Arecibo-observatoriet (Puerto Rico), upptäckte forskarna pulsaren PSR B1913 + 16, som är ett binärt system av neutronstjärnor som roterar runt ett gemensamt masscentrum med en konstant vinkelhastighet (ett ganska sällsynt fall). Varje år reduceras varvtiden, som ursprungligen var 3,75 timmar, med 70 ms. Detta värde är helt överensstämmande med slutsatserna från GR-ekvationerna som förutsäger en ökning av rotationshastigheten för sådana system på grund av energiförbrukningen för generering av gravitationsvågor. Därefter upptäcktes flera dubbla pulsarer och vita dvärgar med liknande beteende. Radioastronomerna D. Taylor och R. Hulse tilldelades Nobelpriset i fysik 1993 för att de upptäckt nya möjligheter att studera gravitationsfält.
Flymt gravitationsvåg
Första uttalandet omupptäckten av gravitationsvågor kom från University of Maryland-forskaren Joseph Weber (USA) 1969. För dessa ändamål använde han två gravitationsantenner av sin egen design, åtskilda med ett avstånd på två kilometer. Resonansdetektorn var en välvibrerad tvåmeters aluminiumcylinder i ett stycke utrustad med känsliga piezoelektriska sensorer. Amplituden av de fluktuationer som påstås ha registrerats av Weber visade sig vara mer än en miljon gånger högre än det förväntade värdet. Försök av andra forskare som använde sådan utrustning för att upprepa den amerikanska fysikerns "framgång" gav inte positiva resultat. Några år senare erkändes Webers arbete på detta område som ohållbart, men gav impulser till utvecklingen av en "gravitationsboom" som lockade många specialister till detta forskningsområde. Förresten, Joseph Weber själv var till slutet av sina dagar säker på att han fick gravitationsvågor.
Förbättring av mottagningsutrustning
På 70-talet utvecklade vetenskapsmannen Bill Fairbank (USA) designen av en gravitationsvågsantenn kyld av flytande helium med hjälp av SQUIDs - superkänsliga magnetometrar. Teknikerna som fanns på den tiden tillät inte uppfinnaren att se sin produkt, realiserad i "metall".
Gravitationsdetektorn Auriga tillverkades på detta sätt vid National Legnard Laboratory (Padua, Italien). Konstruktionen är baserad på en aluminium-magnesiumcylinder, 3 meter lång och 0,6 m i diameter. En mottagningsanordning som väger 2,3 tonsuspenderad i en isolerad vakuumkammare kyld nästan till absolut noll. En extra kilogramresonator och ett datorbaserat mätkomplex används för att fixera och detektera vibrationer. Deklarerad utrustningskänslighet 10-20.
Interferometrar
Funktionen av interferensdetektorer för gravitationsvågor är baserad på samma principer som Michelsons interferometer. Laserstrålen som sänds ut av källan är uppdelad i två strömmar. Efter flera reflektioner och resor längs anordningens axlar sammanförs strömmarna igen och den slutliga interferensbilden används för att bedöma om några störningar (till exempel en gravitationsvåg) påverkade strålarnas förlopp. Liknande utrustning har skapats i många länder:
- GEO 600 (Hannover, Tyskland). Längden på vakuumtunnlarna är 600 meter.
- TAMA (Japan) 300 m axlar
- VIRGO (Pisa, Italien) är ett gemensamt fransk-italienskt projekt som lanserades 2007 med 3 km långa tunnlar.
- LIGO (USA, Stillahavskusten), jagat efter gravitationsvågor sedan 2002.
Den sista är värd att överväga mer i detalj.
LIGO Advanced
Projektet initierades av forskare från Massachusetts Institute of Technology och California Institute of Technology. Inkluderar två observatorier åtskilda med 3 tusen km, i delstaterna Louisiana och Washington (städerna Livingston och Hanford) med tre identiska interferometrar. Längd på vinkelrät vakuumtunnlar är 4 tusen meter. Dessa är de största sådana strukturer som för närvarande är i drift. Fram till 2011 gav många försök att upptäcka gravitationsvågor inga resultat. Den betydande moderniseringen som genomfördes (Advanced LIGO) ökade känsligheten hos utrustningen i intervallet 300-500 Hz med mer än fem gånger, och i lågfrekvensområdet (upp till 60 Hz) med nästan en storleksordning och nådde ett sådant eftertraktat värde på 10-21. Det uppdaterade projektet startade i september 2015 och ansträngningarna från mer än tusen medarbetare belönades med resultat.
Gravitationsvågor upptäckt
Den 14 september 2015 registrerade avancerade LIGO-detektorer med ett intervall på 7 ms gravitationsvågor som nådde vår planet från det största fenomenet som inträffade i utkanten av det observerbara universum - sammanslagning av två stora svarta hål med massor 29 och 36 gånger solens massa. Under processen, som ägde rum för mer än 1,3 miljarder år sedan, spenderades cirka tre solmassor av materia på strålning av gravitationsvågor på bråkdelar av en sekund. Den initiala frekvensen av gravitationsvågor registrerades som 35 Hz, och det maximala toppvärdet nådde 250 Hz.
De erhållna resultaten utsattes upprepade gånger för omfattande verifiering och bearbetning, alternativa tolkningar av de erhållna uppgifterna skars försiktigt bort. Slutligen, den 11 februari förra året, tillkännagavs den direkta registreringen av fenomenet som förutspåtts av Einstein för världssamfundet.
Fakta som illustrerar forskarnas titaniska arbete: amplituden av fluktuationer i dimensionerna på interferometerarmarna var 10-19m - detta värde är lika mycket mindre än diametern på en atom eftersom den är mindre än en apelsin.
Ytterligare framtidsutsikter
Upptäckten bekräftar återigen att den allmänna relativitetsteorin inte bara är en uppsättning abstrakta formler, utan en fundament alt ny blick på essensen av gravitationsvågor och gravitation i allmänhet.
I ytterligare forskning har forskare stora förhoppningar på ELSA-projektet: skapandet av en gigantisk orbital interferometer med armar på cirka 5 miljoner km, som kan upptäcka även mindre störningar av gravitationsfält. Intensifieringen av arbetet i denna riktning kan berätta mycket om huvudstadierna i utvecklingen av universum, om processer som är svåra eller omöjliga att observera i traditionella band. Det råder ingen tvekan om att svarta hål, vars gravitationsvågor kommer att fixas i framtiden, kommer att berätta mycket om deras natur.
För att studera reliken gravitationsstrålning, som kan berätta om de första ögonblicken i vår värld efter Big Bang, kommer det att krävas känsligare rymdinstrument. Ett sådant projekt finns (Big Bang Observer), men dess genomförande, enligt experter, är möjligt tidigast om 30-40 år.
